原肠作用概述

基本概念

  • 原肠作用（gastrulation）：囊胚细胞有规则移动，使细胞重新排列，形成内、中、外三个胚层的过程
  • 原肠胚（gastrula）：经历原肠作用的胚胎
  • 意义：建立三个胚层（腔肠动物为2胚层）；为胚胎细胞间相互作用奠定基础

胚层分化

胚层 衍生结构 代表性器官
外胚层（Ectoderm） 皮肤、神经系统 表皮、脑、脊髓
中胚层（Mesoderm） 骨骼肌肉系统、结缔组织、内部器官 骨骼、肌肉、肾、心脏、血液
内胚层（Endoderm） 肠道及其衍生物 肠、肝、肺（脊椎动物）

原肠作用中的细胞迁移

内陷（Invagination）

细胞片向内折叠进入胚胎内部

例子：海胆内胚层、文昌鱼

内移（Ingression）

单个细胞从表面迁移进入胚胎

例子：海胆中胚层、果蝇成神经细胞

内卷（Involution）

外层细胞向内运动并沿内表面扩展

例子：两栖类中胚层

外包（Epiboly）

表面细胞向外周扩展包围深层细胞

例子：鱼类、鸟类

插入（Intercalation）

两层细胞间插合并为一层

例子：两栖类

集中延伸（Convergent extension）

细胞间相互插入使组织变薄并延伸

例子：两栖类、鱼类

分层（Delamination）

一层细胞分裂形成多层平行细胞层

例子：腔肠动物、哺乳动物

海胆原肠作用

海胆原肠作用过程

植物极变平加厚

原肠作用开始前植物极区域变平

初级间质细胞内移

小分裂球后代形成初级间质细胞，迁移入囊胚腔形成骨针

植物极细胞内陷

形成原肠，建立内胚层

次级间质细胞形成

原肠顶端细胞移入形成次级间质细胞，形成中胚层器官

胚孔形成

原肠末端与体外通连形成胚孔（最终成为肛门）

原肠作用机制

  • 初级间质细胞内移机制：
    • 细胞与透明层及相邻细胞亲和力降低
    • 与囊胚腔内部基质片层亲和力增加
    • 关键蛋白：纤连蛋白、硫酸蛋白多糖、ECM18
  • 原肠内陷动力：
    • 硫酸软骨素蛋白多糖吸水膨胀导致透明层弯曲
    • 纤丝收缩使细胞楔形化
    • 相邻表层细胞运动产生推动力
  • 次级间质细胞作用：伸出线状伪足缩短，拉长原肠

时间进程（25°C）

  • 9小时：初级间质细胞形成
  • 10小时：原肠开始内陷
  • 11小时：次级间质细胞形成
  • 12-13小时：原肠延伸
  • 15-18小时：口形成，消化管连通

文昌鱼原肠作用

基本过程

  • 典型腔囊胚结构
  • 植物极预定内胚层伸长形成植物极板
  • 植物极板内陷启动原肠作用
  • 主要运动方式：内陷
文昌鱼原肠作用示意图
囊胚阶段

植物极预定内胚层区域

植物极板形成

预定内胚层细胞伸长

内陷开始

植物极板向内凹陷

鱼类原肠作用

中期囊胚转换（MBT）

  • 第十次卵裂后细胞分裂不再同步
  • 合子基因开始表达
  • 细胞获得运动性
  • 受染色质与细胞质比例控制

斑马鱼原肠作用过程

  • 下包（Epiboly）：胚盘细胞沿卵黄四周下包
    • 卵黄合胞体层（YSL）驱动
    • 包被层（EVL）细胞向下移动
  • 胚环（Germ ring）形成：50%下包时胚盘前边缘深层细胞内卷形成
  • 胚盾（Embryonic shield）：深层细胞内卷和会聚扩展形成，功能类似两栖类背唇
  • 脊索中胚层形成：表达no tail基因的细胞集中延伸形成
  • 近轴中胚层形成：表达snail基因的细胞在脊索两侧集中延伸

基因表达与细胞命运

  • no tail基因：脊索中胚层细胞表达，驱动集中延伸
  • snail基因：近轴中胚层细胞表达，形成体节前体
  • 下胚层细胞：形成脊索中胚层和近轴中胚层
  • 上胚层细胞：形成神经龙骨（neural keel）和皮肤

两栖类原肠作用

胚胎极性的建立

  • 动植物极轴：母源性mRNA和蛋白质差异分布决定
  • Nieuwkoop中心：皮层旋转（30°）形成，确定背腹轴
    • 背部部分含Nieuwkoop中心→背部化胚胎
    • 腹部部分无Nieuwkoop中心→腹部化胚胎
  • 胚孔定位：位于精子入卵点对面的灰色新月区

原肠作用过程

背唇形成

灰色新月区产生狭缝状内陷

瓶状细胞内陷

启动细胞内卷，形成原肠

侧唇和腹唇形成

背唇向两侧扩展形成侧唇，再形成腹唇

卵黄栓出现

植物极内胚层细胞暴露形成卵黄栓

胚孔闭合

卵黄栓被包入内部，三个胚层定位完成

细胞迁移机制

  • 集中延伸（Convergent extension）：中胚层细胞向胚胎中线集中并延伸
  • 瓶状细胞：收缩拉动边缘区细胞向植物极运动
  • 深层细胞插入：维持中胚层细胞向内部运动
  • 钙粘着蛋白作用：paraxial protocadherin（轴旁中胚层）和axial protocadherin（脊索）

鸟类原肠作用

胚层形成

  • 下胚层（Hypoblast）：
    • 胚盘后端细胞迁移形成
    • 参与胚外结构形成
  • 上胚层（Epiblast）：形成胚胎本体
  • 明区（Area pellucida）：胚盘透明区域
  • 暗区（Area opaca）：明区周围与卵黄接触区域

原条形成与功能

  • 原条（Primitive streak）：后部边缘区上胚层细胞加厚形成，确定A-P轴
  • 原沟：原条内凹陷，上胚层细胞进入囊胚腔的门户
  • 亨氏节（Hensen's node）：原条头部加厚层，诱导中心
  • 细胞迁移：
    • 最早细胞→前肠内胚层
    • 通过Node细胞→头部中胚层和脊索中胚层
  • 生殖新月区：下胚层细胞被挤至明区前部，含原生殖细胞

体轴形成机制

  • 背腹轴：胚盘上部碱性清蛋白（pH9.5）与下部酸性胚下腔（pH6.5）之间的屏障确定
  • 前后轴：重力决定
  • 上胚层细胞：
    • HNK-1阳性细胞：形成内胚层和中胚层
    • HNK-1阴性细胞：形成上胚层

哺乳类原肠作用

胚胎发育阶段

受精卵（0天）

受精过程开始

2细胞胚胎（1.5天）

第一次有丝分裂

桑椹胚（3天）

16细胞阶段

囊胚（4.5天）

58细胞，孵化

部分植入（6天）

开始着床过程

胚层形成与胚外膜

  • 内细胞团（ICM）：发育为胚胎本体
  • 上胚层与下胚层：ICM分裂形成
    • 下胚层：形成原始卵黄囊
    • 上胚层：分层为羊膜外胚层和胚胎上胚层
  • 滋养层：
    • 细胞滋养层：形成绒毛
    • 合体滋养层：侵入子宫组织
  • 胚外膜：卵黄囊、羊膜、尿囊、脐带、绒毛膜

与鸟类的差异

  • 脊索形成：小鼠脊索细胞先整合到内胚层，再向中线集中形成
  • 营养来源：胎盘从母体获取营养
  • 着床过程：滋胚层细胞分泌酶水解子宫底蜕膜，胚泡侵入
  • 羊膜腔：防止胚胎脱水，保护免受振荡

胎盘结构与功能

  • 绒毛膜：滋养层+胚外中胚层
  • 三级绒毛干：母体-胎儿物质交换场所
  • 物质交换：
    • 脐动脉：将胎儿代谢废物送至母体
    • 脐静脉：将氧气和营养送至胎儿